矢量声纳高速运动目标稳健高分辨方位估计

针对水声矢量信号处理框架中的高速运动目标低信噪 比小快拍条件下的稳健高分辨方位估计问题, 将压缩感知技术应用于水声矢量信号空间谱估计模型中. 结合声矢量传感器结构特性, 探讨了基于声压振速联合处理的广义时域滤波方法; 结合矩阵空域预滤波理论, 设计了基于阻带约束通带均方误差最大值最小的空域滤波器, 研究了矢量声纳空域预滤波方法; 结合以上分析, 提出了基于压缩感知技术的时空联合滤波高分辨方位估计方法, 给出了方法的数学模型、物理解释及具体实施步骤.理论分析和计算机仿真试验表明, 新方法对于小快拍数 条件下的矢量声纳高速运动目标高分辨方位估计问题, 具有较低的双目标分辨门限和较高的估计精度, 有着良好的应用前景.湖上试验验证了方法的有效性. 关键词： 声矢量传感器 空间谱估计 时空滤波 压缩感知     

声矢量圆阵相位模态域目标方位估计

为了实现矢量传感器在圆阵阵型下的应用,文中提出了一种适合于声矢量圆阵的目标方位估计算法。该算法首先将声矢量圆阵阵元域信号分解为一系列相互正交的相位模态,在相位模态域构造声压和质点振速的互协方差矩阵,然后进行MUSIC方位估计.理论分析和仿真结果表明,文中算法比相同阵型的声压阵MUSIC方位估计算法具有更好的噪声抑制能力、方位估计性能以及多目标分辨能力,试验结果也表明本文算法具有更好的噪声抑制能力以及更好的目标方位估计性能。该算法实现了声压和质点振速的相干处理,充分利用了声矢量传感器的平均声强抗噪原理,具有较强的抗各向同性噪声能力,并可以将子空间类DOA(Direction of Arrival)估计算法和相位模态域阵列信号处理技术有机结合起来,实现了声矢量传感器在圆阵阵型条件下的高分辨DOA估计。      

声矢量锥形阵的高阶累积量波达方向估计

为解决信源在较低信噪比情况下的测向分辨率问题,提出阵列可扩展的声矢量锥形阵测向算法。算法基于四阶累积量的阵列扩展和高斯噪声抑制特性,计算声矢量传声器不同输出分量的四阶累积量,使其在三维方向上扩展与原阵型结构相同的虚拟阵,从而构造包含角度信息的旋转不变矩阵进行测向。推导给出了算法的克拉美罗界,理论分析了算法性能受信噪比、采样快拍以及入射声源俯仰角的影响。仿真实验验证了该算法较常规声矢量阵ESPRIT算法有更优的噪声抑制能力及更高分辨的DOA估计性能。      

时延估计与双线阵左右舷分辨

针对双线列阵的左右舷分辨问题，特别是双线阵间距较大时的左右舷分辨问题，文中提出了一种以时延估计为理论基础的左右舷分辨方法，将双线阵的左右舷分辨问题转变成对轴向对称的两路波束信号进行时延估计，然后根据时延值的符号判断出目标所处的左右舷。该方法具有算法简单、对阵形畸变不敏感的优点。经过湖试实验数据分析验证，证明是一种简单、有效、可行的左右舷分辨技术。     

基于多重信号分类法的一种声矢量阵方位估计算法

为了提高声矢量阵高分辨方位估计的性能,文中提出了一种矢量阵MUSIC方位估计算法.该算法先构造声矢量阵声压和振速组合输出的互协方差矩阵,然后进行MUSIC方位估计.理论分析和计算机仿真表明,文中算法比传统声矢量阵MUSIC方位估计算法有更好的双目标分辨能力和弱目标方位估计能力,湖试结果也表明文中算法有更好的目标方位估计性能.该算法基于矢量传感器声压和振速的相干性原理,充分利用声压振速组合指向性抗干扰能力,可以更好地抑制各向同性干扰,提高阵列的处理增益,从而有更好的方位估计性能.     

虚拟阵列Khatri-Rao积与子空间联合稀疏表示的DOA估计方法

利用目标信号在空域分布的稀疏性,该文提出了一种基于虚拟阵列Khatri-Rao(KR)积与信号子空间联合稀疏表示的单快拍DOA估计方法;该方法利用单次快拍的采样数据,构造出双向虚拟阵列数据,并对虚拟阵列数据的协方差矩阵进行KR积变换处理,然后对向量化后的数据进行顺序重构,利用重构矩阵的大奇异值对应的左奇异向量为估计信号子空间;最后,利用凸优化工具箱对稀疏模型进行二阶凸规划的优化求解,得到高精度的DOA估计值;仿真实验验证了算法的有效性,在低信噪比下比传统MUSIC和OMP算法具有更高的估计精度。     

频域单快拍压缩感知目标方位估计和信号恢复方法

方位估计和信号恢复分别是水下目标定位、跟踪和目标识别的前提。提出了一种阵列频域单快拍压缩感知的水下目标方位估计和信号恢复方法。首先将阵列接收数据变换到频域,取频域单快拍数据作为压缩感知的测量值,然后根据频域快拍对应的频率、搜索方位和阵列流形构造过完备的阵列流形矩阵作为压缩感知的感知矩阵,最后通过基追踪算法估计搜索方位上目标信号和功率,实现DOA估计与信号恢复。宽带仿真实验数据验证结果表明,同等条件下完成同样的目标方位分辨,提出的方法比最小方差无失真响应方法要求的阵元数和快拍数较少,要求的信噪比更低,恢复的目标信号更加准确,波形相关系数达到89%以上。海上实验数据处理结果表明,目标检测能力优于最小方差无失真响应方法,证明该方法可以适用于实际声呐系统。      

双线阵目标左右舷分辨概率分析

基于二元假设检验理论,研究了双线列阵对目标方位左右舷分辨的正确和错误概率。根据阵列接收窄带信号的概率密度函数,定义了左右舷判决统计量,当信号快拍数足够大时,左右舷判决统计量接近正态分布,从而可得到窄带信号的左右舷分辨概率。利用子带信号左右舷分辨概率的频率加权或波束加权,得到频率或波束加权的宽带信号左右舷分辨概率。理论和数值分析表明,窄带信号的左右舷分辨概率取决于双阵间距,而宽带信号的左右舷分辨概率对阵间距的宽容性较大。     

小快拍高分辨目标方位估计算法 GMUSIC的性能分析*

针对水下运动阵列在运动过程中进行方位估计时存在快拍不足的问题,研究了基于随机矩阵理论的MUSIC改进算法GMUSIC,该方法通过Stieltjes变换建立起统计协方差矩阵真实特征值、特征向量与样本协方差矩阵之间在逼近域中的关联,以修正样本协方差特征分解的结果,进而实现小快拍方位估计。仿真与试验表明:GMUSIC算法可以更好地分辨相邻目标,且需要的快拍数较MUSIC算法要少;在低信噪比情况下,GMUSIC算法方位估计均方根误差远小于MUSIC算法,估计成功概率远大于MUSIC算法。因此,GMUSIC算法适用于解决水声目标的小快拍方位估计问题。     

圆弧形面阵自适应波束形成快速计算方法

针对圆弧形面阵估计水下目标二维波达方向的问题,提出一种降维处理的自适应波束形成方法。利用圆弧形面阵模型简化阵列内插矩阵的计算,通过垂直和水平两阶段波束加权,降低自适应波束形成维数,从而实现快速估计声源二维波达方向的目的。仿真结果表明,所提改进方法的计算量较传统二维最小方差无失真波束形成方法降低约一个数量级,且在低快拍条件下具有更明显的噪声抑制优势。湖上实验数据处理结果验证,在复杂水声环境下,所提方法具有较好的目标分辨性能。      

水声信号稀疏重构高分辨角度-多普勒成像

针对傅氏空时二维谱估计分辨率低以及声呐空时采样数据样本数不足给角度-多普勒成像带来困难的问题,提出一种水声信号稀疏重构的高分辨角度-多普勒成像方法和抗混响空时滤波器的稀疏重构方法。该方法在声呐阵列单测量向量的极少观测样本条件下,建立阵列信号的空时稀疏表示模型,应用稀疏表示的匹配追踪算法和基追踪算法重构回波与混响的高分辨角度-多普勒像。并根据运动声呐回波与混响的空时分布规律及声呐待检测距离单元位置的先验信息,沿着混响空时分布脊线设计混响稀疏表示的专用空时导向向量字典,通过重构抗混响空时滤波器来抑制角度-多普勒平面的混响干扰。对运动声呐前视和侧视阵列的计算机仿真结果表明,在混响背景中,该方法采用声呐阵列单测量向量重构了低速运动目标多亮点回波的高分辨角度-多普勒像,频率分辨率突破傅里叶分辨率,角度分辨率突破阵列瑞利限,分辨率明显优于傅氏空时谱估计。      

Direction-of-arrival estimation for extensible acoustic vector sensor array

Aiming at high-resolution estimation of the direction-of-arrival of closely-spaced sources at low signal-to-noise ratio regions, this paper proposes a DOA estimation algorithm that is suitable for an extensible acoustic vector sensor array. Taking the 3D array composed of the minimum number(four) of acoustic vector sensors as the acquisition module, a virtual array having the same structure as the original array structure is extended in the three-dimensional space based on the aperture expansion characteristic of higher-order cumulants. The virtual array and the real array can construct a matrix with rotational invariance, which contains the angular information for estimating DOA. The Cramer-Rao bound of the algorithm are derived. We analyze the influence of SNR, the number of snapshots and the elevation angle on the performance of the algorithm. Simulation results show that the proposed algorithm has better noise suppression ability and higher resolution in DOA estimation than the conventional ESPRIT algorithm using the acoustic vector array. Experiments are conducted to validate the proposed algorithm.     

High-resolution angle-Doppler imaging by sparse recovery of underwater acoustic signals

The low resolution of Fourier two-dimensional spatial temporal spectrum estimation and the insufficient sample size of sonar space time sampling data often caused difficulties in high-resolution space time spectrum estimation. Aiming to solve this problem, we proposed a high-resolution angle-Doppler imaging method and designed an anti-reverberation space time filter based on the sparse recovery of underwater acoustic signals. The proposed imaging method established the spatial temporal sparse representation model of array signal under the condition of few observation samples of single measurement vector(SMV), and reconstructed the high-resolution angle-Doppler profile of echo and reverberation through the matching pursuit(MP) algorithm and basis pursuit(BP) algorithm. By utilizing the space time distribution characteristics of echo and reverberation and the prior information of sonar rangecell under test(RUT), a reverberation dictionary composed of special space time guidance vectors was designed, and was used to reconstruct the reverberation and formed an anti-reverberation space time filter to suppress the reverberation interference of angle-Doppler plane. Computer simulations indicated that, under two conditions of forward and side-view array of moving sonar, the single measurement vector of sonar array was successfully used in the reverberation background to reconstruct the high-resolution angle-Doppler profile of low-speed moving target multi-spot echo. Its frequency resolution had a better performance than the Fourier resolution and the angle resolution broke through the Rayleigh limit of the array, the resolution was obviously superior to the Fourier space time spectrum estimation.     

观测平台转向时稀疏贝叶斯学习方位估计

针对观测平台转向时固定安装于其上的声呐线列阵指向快速变化导致的空间谱谱峰变宽问题,提出一种稀疏贝叶斯学习方位估计方法。该方法利用大地坐标系下不同接收快拍中的空域稀疏信号具有相同先验分布的特性,将转向过程中多个阵列指向分别对应的接收快拍信息联合处理,以求得目标方位。仿真分析与海试数据处理显示出,所提方法可以获得谱峰较尖锐的空间谱,具有较高的测向精度和角度分辨力,此外,对由左右舷模糊引起的伪峰有较强的抑制效果。所得结果表明,所提方法可以有效解决谱峰变宽问题,提升了平台转向时的方位估计性能,同时有效地利用阵列指向的变化提高了线阵抗左右舷模糊能力。      

一种快速稀疏贝叶斯学习的水声目标方位估计方法研究

针对以具有时序结构的稀疏贝叶斯学习(Temporally multiple sparse Bayesian learning,TMSBL)为重构算法的水声目标DOA (Direction-of-arrival)估计方法存在运算速度慢的问题,结合块稀疏贝叶斯学习(Block-spare Bayesian learning,BSBL)理论框架下DOA估计模型与特点,采用MacKay提出的定点方法(Fixed-point method)对TMSBL算法中的核心超参量进行求解,提出一种快速的水声目标方位估计稀疏贝叶斯学习的方法,该方法具有运算速度快,重构概率高的特点,并通过实验仿真从运算时间、失败率和均方根误差等方面与TMSBL算法进行比较,验证了该方法的可行性与有效性。      

Detection of number of sources and DOA estimation based on the combined information processing of pressure and particle velocity using acoustic vector sensor array

In order to solve the problem of DOA(direction of arrival)estimation of underwater remote targets,a novel subspace-decomposition method based on the cross covariance matrix of the pressure and the particle velocity of acoustic vector sensor arrays(AVSA)was proposed. Whereafter,using spatio-temporal virtual tapped-delay-line,a new eigenvector-based criteria of detection of number of sources and of subspace partition is also presented.The theoretical analysis shows that the new source detection and direction finding method is different from existing AVSA based DOA estimation methods using particle velocity information of acoustic vector sensor(AVS)as an independent array element.It is entirely based on the combined information processing of pressure and particle velocity,has better estimation performance than existing methods in isotropic noise field.Computer simulations with data from lake trials demonstrate,the proposed method is effective and obviously outperforms existing methods in resolution and accuracy in the case of low signal-to-noise ratio(SNR).     

一种基于矢量水听器阵的归一化加权Capon波束形成方法

矢量水听器同时拾取声场的标量信息声压和矢量信息振速。本文在分析了各向同性噪声场下矢量水听器阵Capon波束形成方位谱的基础上，提出了一种归一化加权Capon波束形成的改进算法，并给出了方位谱的表达式。本方法不需要特征分解，并且得到的是通常意义上的功率谱(可用于估计信号的能量)。仿真计算表明，此方法的性能优于Capon法，可大大提高方位估计的精度。     

A tracking filter method of active sonar subject to unknown target maneuver

A tracking filter algorithm based on the maneuvering detection delay is presented in order to solve the fuzzy problem of target maneuver decision introduced by the measure?ment errors of active sonar. When the maneuvering detection is unclear, two target moving hypotheses, the uniform and the maneuver, derived from the method of multiple hypothesis tracking, are generated to delay the final decision time. Then the hypothesis test statistics is constructed by using the residual sequence. The active sonar?s tracking ability of unknown prior information targets is improved due to the modified sequential probability ratio test and the integration of the advantages of strong tracking filter and the Kalman filter. Simulation results show that the algorithm is able to not only track the uniform targets accurately, but also track the maneuvering targets steadily. The effectiveness of the algorithm for real underwater acoustic targets is further verified by the sea trial data processing results.     

结合盲源分离的非直单线阵多目标左右舷分辨

针对单线阵左右舷模糊问题,提出了结合盲源分离的非直单线阵多目标左右舷分辨算法。该算法首先通过离散傅里叶变换将阵列接收信号离散化为若干个窄带频谱分量,之后对每个频点的窄带数据讲行盲源分离,得到每个频点上各个来波信号的导向向量;然后通过常规波束形成对各个导向向量进行方位谱估计,并根据左右舷抑制比进行单目标左右舷分辨,确定各个频点上的来波方向;最后对所有频点上的来波方向进行聚类,得到各个真实目标的方位,从而实现多目标左右舷分辨。仿真实验中,相比常规波束形成方法(CBF)和最小方差无畸变响应算法(MVDR),该算法更准确地估计出了目标数目,且保持了较快的计算速度;海试数据处理中,该算法排除了目标镜像的干扰,准确估计出了船只目标的轨迹。仿真及海试数据处理均表明,该算法可以分辨真实目标与目标镜像,具有比CBF和MVDR算法更好的左右舷分辨能力。